李爭(zhēng)榮，武鵬杰 ，劉明武，曹永 ，馮興隆，王貽明

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉市 674400；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

礦山爆破施工期間，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波瞬間作用在巷道圍巖中形成強(qiáng)間斷，并以爆源為中心、沿著巷道圍巖等介質(zhì)，以橢球狀沖擊波的形式向外擴(kuò)散傳播，伴隨著傳播距離的增大，沖擊波能量迅速衰減而轉(zhuǎn)化為波形較為平緩的應(yīng)力波，引起巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，一旦超出安全允許范圍，將導(dǎo)致其嚴(yán)重破壞。因此，為了得到爆破振動(dòng)效應(yīng)的衰減規(guī)律，對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和研究是非常必要的。

針對(duì)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)初期開始做出大量研究。DOWDING[1]研究發(fā)現(xiàn)用介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)位移作為爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的破壞判據(jù)更符合實(shí)際。SLOBODAN Trajkovic等[2]學(xué)者討論了如何確定爆破振動(dòng)安全距離的問(wèn)題，特別是研究了爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來(lái)的不利影響。王先義等[3]提出了建立以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值為主、振動(dòng)波頻譜和振動(dòng)傳播時(shí)間為輔的多參數(shù)安全判據(jù)。對(duì)于不同地質(zhì)地形條件下的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，也有學(xué)者進(jìn)行了針對(duì)性的研究。張進(jìn)平[4]指出，爆破受地質(zhì)條件等因素的影響，導(dǎo)致爆破振動(dòng)波在介質(zhì)中傳播的方向性以及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰速等值線的異向系數(shù)具有呈橢圓形分布的趨勢(shì)。張永哲[5]通過(guò)對(duì)李家峽露天礦山爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)與分析，發(fā)現(xiàn)爆破地震波在地表中傳播通過(guò)斷層后，大部分會(huì)出現(xiàn)主振頻率降低、波形振動(dòng)速度峰值降低的現(xiàn)象，但部分巖體也會(huì)出現(xiàn)波形主頻增大的現(xiàn)象，說(shuō)明斷層對(duì)振動(dòng)波的阻隔效應(yīng)是復(fù)雜且非線性的。

上述研究主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析對(duì)爆破振動(dòng)傳播和衰減規(guī)律進(jìn)行分析，雖已取得大量有價(jià)值的成果，但是對(duì)布置在斷層破碎帶附近的拉底巷道圍巖的爆破振動(dòng)效應(yīng)研究較少，且得到的研究成果過(guò)于復(fù)雜，不利于生產(chǎn)應(yīng)用。本文結(jié)合云南普朗銅礦地質(zhì)概況，設(shè)計(jì)并實(shí)施拉底過(guò)斷層中深孔爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值K、α，進(jìn)而獲得裝藥量、速度、距離三者的關(guān)系，建立適用于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的衰減規(guī)律公式，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)[6]。

1 工程概況

普朗銅礦位于滇西北迪慶藏族自治州東部，中甸縣城50°方向、平距約36.4 km處[7]。普朗銅礦首采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，除了大大小小的節(jié)理裂隙等構(gòu)造面密集發(fā)育外，主要存在5條斷層,還包括小斷層若干，往往橫穿多條穿脈或沿脈延伸幾十米后尖滅。首采區(qū)主要斷層詳細(xì)情況見表1[8]。

普朗銅礦采用自然崩落法開采礦石，通過(guò)在3736m拉底水平進(jìn)行中深孔拉底爆破，形成拉底空間，使上部礦體在次生應(yīng)力場(chǎng)的作用下，內(nèi)部不連續(xù)面持續(xù)擴(kuò)張，并在礦石自重作用下進(jìn)行崩落[9]?，F(xiàn)場(chǎng)中深孔拉底爆破采用扇形中深孔炮孔，孔深3.5m～13m，根據(jù)首排炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整第2排、第3排炮孔的參數(shù)，形成交叉布置的炮孔結(jié)構(gòu)，炮孔排距為1.9m。爆破炸藥采用粒狀銨油炸藥，采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，孔底、孔口雙向起爆，起爆藥包為1節(jié)Φ50mm乳化炸藥。

表1 首采區(qū)主要斷層特點(diǎn)（3760～3736m中段）

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)原理

中深孔爆破釋放的能量在實(shí)現(xiàn)形成拉底空間目的的同時(shí)，有部分能量不可避免地以波的形式向四周傳播并形成爆破地震波，炸藥發(fā)生爆炸的整個(gè)過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化以及傳遞的過(guò)程，而地震波在傳播過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)巷道圍巖、支護(hù)體以及其他構(gòu)筑物產(chǎn)生影響，即為爆破振動(dòng)效應(yīng)。根據(jù)巖石爆破的特性可知，爆破振動(dòng)效應(yīng)與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的大小密切相關(guān)，在實(shí)際工程爆破中，往往采用振動(dòng)速度峰值來(lái)衡量爆破振動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而評(píng)估爆破振動(dòng)的危害程度。為了確保構(gòu)筑物的安全，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度加以監(jiān)測(cè)。一般的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)通常會(huì)將圍巖物理力學(xué)參量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電測(cè)法來(lái)記錄圍巖質(zhì)點(diǎn)的物理力學(xué)性質(zhì)改變，再對(duì)記錄到的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與后處理，從而有效記錄爆破振動(dòng)的諸多參數(shù)[10]。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

本次現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用中科院成都分院自主研發(fā)的TC-4850爆破振動(dòng)測(cè)振儀。為保證監(jiān)測(cè)的可靠性，避免出現(xiàn)較大誤差，該儀器設(shè)定采樣率為8 kHz，采樣時(shí)間為2 s，觸發(fā)電平設(shè)置為0.2 cm/s，記錄延時(shí)為?100ms。同時(shí)考慮到拉底巷道的地質(zhì)條件，將爆破振動(dòng)測(cè)振儀的傳感器布置在距爆源2倍洞徑的拉底巷道兩幫上，且距底板1/3巷高，用石膏粉把三矢量傳感器固定在基巖上形成剛性聯(lián)結(jié)，分別監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)水平徑向、水平切向、垂直方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。參考以往的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)拉底巷道的布置情況，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前的拉底進(jìn)度，此次共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，要求每一處監(jiān)測(cè)點(diǎn)至爆炸中心的距離按近密遠(yuǎn)疏的對(duì)數(shù)分布規(guī)律布置，因此設(shè)計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)至爆炸中心的距離依次為15m，30m，60m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)拉底爆破展開多次振動(dòng)監(jiān)測(cè)后，把記錄儀數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，使用Blasting vibration analysis爆破振動(dòng)分析軟件處理數(shù)據(jù)。通過(guò)篩選對(duì)比，去掉誤差較大的數(shù)據(jù)，選擇其中較優(yōu)的3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。相關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的炸藥量、爆心距等數(shù)據(jù)見表2。

由表2分析可得，在該拉底巷道所監(jiān)測(cè)到的爆破振動(dòng)主頻頻散現(xiàn)象比較明顯，主頻分布的頻域跨度都比較大，幾乎涵蓋了從高到低的所有頻率。可見爆破振動(dòng)主頻除了受到地震波傳播距離和最大單響藥量的影響外，拉底爆破現(xiàn)場(chǎng)的地形地質(zhì)條件對(duì)頻率的變化也均有影響。正是由于斷層、節(jié)理裂隙等構(gòu)造面的存在導(dǎo)致圍巖傳播介質(zhì)的非線性，使得地震波頻譜具有不規(guī)則的廣譜性。

表2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 回歸分析

依據(jù)現(xiàn)有的研究成果，目前國(guó)內(nèi)外一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。公式（1）中的K、α均是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值，與爆破現(xiàn)場(chǎng)拉底巷道圍巖的巖性條件相關(guān)，不同巖性條件下的K、α經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可參見表3。

表3 不同巖性條件下的K、α值

根據(jù)表2中的爆破振動(dòng)速度及相對(duì)應(yīng)的單段最大單響藥量和爆心距，對(duì)薩氏公式進(jìn)行二元線性擬合，以確定經(jīng)驗(yàn)公式中的巖性系數(shù)K與α值，進(jìn)而得到拉底過(guò)斷層中深孔爆破作業(yè)的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。

式中，V為圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；R為爆心距，即爆源與測(cè)點(diǎn)的直線距離，m；Q為爆破單段最大起爆藥量，kg；K為與地質(zhì)條件、圍巖特性有關(guān)的巖性系數(shù)；α為爆破衰減系數(shù)。

將式（1）轉(zhuǎn)化為一元線性回歸公式

根據(jù)線形回歸和最小二乘法的基本原理，使用Origin 2019軟件擬合分析，得到本次測(cè)試的爆破振動(dòng)衰減方程。三矢量和速度：

K=88.235，α=0.80，相關(guān)系數(shù)R2=0.932。

水平徑向速度：

K=49.402，α=0.93，相關(guān)系數(shù)R2=0.897。

水平切向速度：

K= 61.559，α=0.89，相關(guān)系數(shù)R2=0.883。

垂直方向速度：

K=40.447，α=0.74，相關(guān)系數(shù)R2=0.927。

可得水平徑向速度、水平切向速度、垂直方向速度、質(zhì)點(diǎn)三矢量和速度與單段最大單響藥量與爆心距比值的散點(diǎn)及線性回歸圖，見圖2～圖5。

由回歸分析結(jié)果可知，擬合相關(guān)性系數(shù)較高，表明振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了公式（1）的合理性。根據(jù)表3對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值的規(guī)定，發(fā)現(xiàn)薩氏公式適用于該礦山且經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K=88.235，α=0.80能真實(shí)地反映爆破振動(dòng)波的衰減規(guī)律。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)衰減系數(shù)α小于規(guī)定的閾值范圍，α<1.3，衰減系數(shù)過(guò)小，表明質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度受地質(zhì)地形條件的影響，爆破振動(dòng)影響范圍變廣、持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，普朗銅礦地下有大大小小斷層、破碎帶，地震波在傳播過(guò)程中遇到斷層、節(jié)理裂隙面等結(jié)構(gòu)面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，此外，還會(huì)產(chǎn)生繞射等現(xiàn)象，使波的波形、頻率和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間都發(fā)生變化。

圖2 水平徑向速度線性回歸曲線

圖3 水平切向速度線性回歸曲線

圖4 垂直方向速度線性回歸曲線

圖5 三維合成速度線性回歸曲線

4 結(jié)論

（1）由于拉底爆破施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地形條件的復(fù)雜性，且影響爆破振動(dòng)衰減的因素不存在線性關(guān)系，因此對(duì)具體工程而言，應(yīng)該通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析建立線性回歸模型，從而得到符合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地形條件的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。

（2）試驗(yàn)區(qū)S5S拉底巷道爆破振動(dòng)衰減系數(shù)K與α分別為88.235，0.80，即適用于現(xiàn)場(chǎng)的爆破振動(dòng)傳播數(shù)學(xué)模型為：與該區(qū)域巖性基本吻合，可以準(zhǔn)確地反映爆破振動(dòng)波在該區(qū)域的衰減規(guī)律。

（3）斷層的存在導(dǎo)致中深孔拉底爆破振動(dòng)效應(yīng)影響范圍變廣、持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)拉底巷道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞加劇。因此，后續(xù)的拉底爆破及類似工程，應(yīng)及時(shí)優(yōu)化爆破參數(shù)和支護(hù)巷道。